Grafeen - een ultradun materiaal bestaande uit een enkele laag onderling verbonden koolstofatomen - wordt beschouwd als een veelbelovende kandidaat voor de nano-elektronica van de toekomst. In theorie, het zou kloksnelheden moeten mogelijk maken die tot duizend keer sneller zijn dan de huidige op silicium gebaseerde elektronica. Wetenschappers van het Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Universiteit van Duisburg-Essen (UDE), in samenwerking met het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek (MPI-P), hebben nu voor het eerst aangetoond dat grafeen elektronische signalen met frequenties in het gigahertz-bereik - wat overeenkomt met de huidige kloksnelheden - buitengewoon efficiënt kan omzetten in signalen met een meerdere malen hogere frequentie. De onderzoekers presenteren hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

De op silicium gebaseerde elektronische componenten van vandaag werken met kloksnelheden van enkele honderden gigahertz (GHz), dat is, ze schakelen meerdere miljarden keren per seconde. De elektronica-industrie probeert momenteel toegang te krijgen tot het terahertz (THz) -assortiment, d.w.z., tot duizend keer snellere kloksnelheden. Een veelbelovend materiaal en mogelijke opvolger van silicium zou grafeen kunnen zijn, die een hoge elektrische geleidbaarheid heeft en compatibel is met alle bestaande elektronische technologieën. Vooral, theorie heeft lang voorspeld dat grafeen een zeer efficiënt "niet-lineair" elektronisch materiaal zou kunnen zijn, d.w.z., een materiaal dat zeer efficiënt een aangelegd oscillerend elektromagnetisch veld kan omzetten in velden met een veel hogere frequentie. Echter, alle experimentele pogingen om dit effect in grafeen in de afgelopen tien jaar te bewijzen, zijn niet succesvol geweest.

"We zijn nu in staat om het eerste directe bewijs van frequentievermenigvuldiging van gigahertz tot terahertz in een grafeenmonolaag te leveren en elektronische signalen in het terahertz-bereik te genereren met opmerkelijke efficiëntie, " legt Dr. Michael Gensch uit, wiens groep onderzoek doet naar ultrasnelle fysica en de nieuwe TELBE terahertz-stralingsbron bij de HZDR exploiteert. En niet alleen dat - hun samenwerkingspartners onder leiding van prof. Dmitry Turchinovich, experimenteel fysicus aan de Universiteit van Duisburg-Essen (UDE), zijn erin geslaagd de metingen kwantitatief goed te beschrijven met behulp van een eenvoudig model gebaseerd op fundamentele fysische principes van de thermodynamica.

Met deze doorbraak de onderzoekers maken de weg vrij voor ultrasnelle op grafeen gebaseerde nano-elektronica:"We waren niet alleen in staat om voor het eerst experimenteel een lang voorspeld effect in grafeen aan te tonen, maar ook om het tegelijkertijd kwantitatief goed te begrijpen, " benadrukt prof. Dmitry Turchinovich. "In mijn laboratorium onderzoeken we al enkele jaren de fundamentele fysieke mechanismen van de elektronische niet-lineariteit van grafeen. Echter, onze lichtbronnen waren niet voldoende om de frequentievermenigvuldiging echt schoon en duidelijk te detecteren en te kwantificeren. Voor deze, we hadden experimentele mogelijkheden nodig die momenteel alleen beschikbaar zijn in de TELBE-faciliteit."

Het langverwachte experimentele bewijs van extreem efficiënte terahertz-opwekking van hoge harmonischen in grafeen is geslaagd met behulp van een truc:de onderzoekers gebruikten grafeen dat veel vrije elektronen bevat, die voortkomen uit de interactie van grafeen met het substraat waarop het is afgezet, evenals met de omgevingslucht. Als deze mobiele elektronen worden geëxciteerd door een oscillerend elektrisch veld, ze delen hun energie heel snel met de andere elektronen in grafeen, die dan reageren als een verwarmde vloeistof:van een elektronische "vloeistof", figuurlijk spreken, een elektronische "damp" vormt zich in het grafeen. De verandering van de "vloeibare" naar de "damp" fase vindt plaats binnen biljoensten van een seconde en veroorzaakt bijzonder snelle en sterke veranderingen in de geleidbaarheid van grafeen. Dit is het belangrijkste effect dat leidt tot efficiënte frequentievermenigvuldiging.

De wetenschappers gebruikten elektromagnetische pulsen van de TELBE-faciliteit met frequenties tussen 300 en 680 gigahertz en zetten deze in het grafeen om in elektromagnetische pulsen met drie, vijf en zeven keer de oorspronkelijke frequentie, d.w.z. ze werden opgewaardeerd naar het terahertz-frequentiebereik. "De niet-lineaire coëfficiënten die de efficiëntie van het genereren van deze derde beschrijven, vijfde en zevende harmonische frequentie waren uitzonderlijk hoog, " legt Turchinovich uit. "Grafeen is dus mogelijk het elektronische materiaal met de sterkste niet-lineariteit die tot nu toe bekend is. De goede overeenstemming van de gemeten waarden met ons thermodynamisch model suggereert dat we het ook kunnen gebruiken om de eigenschappen van ultrasnelle nano-elektronische apparaten gemaakt van grafeen te voorspellen." Prof. Mischa Bonn, directeur van de MPI-P, die ook bij dit werk betrokken was, benadrukt:"Onze ontdekking is baanbrekend. We hebben aangetoond dat op koolstof gebaseerde elektronica extreem efficiënt kan werken met ultrahoge snelheden. Ultrasnelle hybride componenten gemaakt van grafeen en traditionele halfgeleiders zijn ook denkbaar."

Het experiment werd uitgevoerd met behulp van de roman, op supergeleidende versneller gebaseerde TELBE terahertz-stralingsbron in het ELBE Center for High-Power Radiation Sources bij de HZDR. De honderd keer hogere pulsfrequentie in vergelijking met typische op laser gebaseerde terahertz-bronnen maakte de meetnauwkeurigheid die nodig is voor het onderzoek naar grafeen in de eerste plaats mogelijk. Een gegevensverwerkingsmethode die is ontwikkeld als onderdeel van het EU-project EUCALL stelt de onderzoekers in staat om de meetgegevens die met elk van de 100, 000 lichtpulsen per seconde. "Voor ons zijn er geen slechte gegevens, " zegt Gensch. "Omdat we elke afzonderlijke puls kunnen meten, we winnen ordes van grootte in meetnauwkeurigheid. Op het gebied van meettechnologie, we zitten aan de grens van wat momenteel haalbaar is.” De eerste auteurs van het artikel zijn de twee jonge wetenschappers Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) en Sergey Kovalev (HZDR).